關(guān)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的探討

薛毅明 顏雙月

摘 要：高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)，對(duì)于預(yù)防和避免地震時(shí)建筑發(fā)生倒塌，減少人員傷亡起到一定的作用。本文通過分析高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的特征及設(shè)計(jì)原則，提出高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

高層建筑混凝土的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)減輕地震災(zāi)害，起到根本的作用。在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，常出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)布置、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題而發(fā)生震害。因此在建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)力分析方面，應(yīng)充分考慮到建筑自身的空間結(jié)構(gòu)、材質(zhì)質(zhì)量等多個(gè)重要因素，以提高高層混凝土建筑的抗震性能。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的特征

混凝土結(jié)構(gòu)建筑的樓層在10層或10層以上，或者建筑高度超過28m，定義為高層建筑。從定義中可看出高層建筑的特點(diǎn)體現(xiàn)在層數(shù)和高度上，而高層建筑更本質(zhì)的特點(diǎn)是水平荷載設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵作用。在高層建筑中研究建筑的抗側(cè)力能力是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，地震荷載和風(fēng)荷載主要作用于建筑的水平力，其中地震荷載起控制的作用。破壞時(shí)間短，無規(guī)律的作用強(qiáng)度大，水平方向上的振動(dòng)加以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是地震力對(duì)建筑的破壞特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程完全應(yīng)用彈性理論來設(shè)計(jì)以提高建筑的抗震性能是不可行的。因?yàn)闀?huì)增加抗側(cè)構(gòu)件的數(shù)量，使結(jié)構(gòu)的自重增加，導(dǎo)致在地震中，由于建筑自身的慣性力過大，使抗震性能降低。

2 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 結(jié)構(gòu)布置。平面布置是指在建筑設(shè)計(jì)的平面圖上，將柱和墻的位置以及對(duì)樓蓋具有的傳力作用進(jìn)行合理的設(shè)置。依據(jù)建筑的抗震性能來看，最關(guān)鍵的是盡量將建筑結(jié)構(gòu)平面的剛度中心與質(zhì)量中心相靠近或相重合，以降低地震力對(duì)建筑的破壞力。為了減輕建筑自身的重量，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則、對(duì)稱為宜。結(jié)構(gòu)的剛度在豎向上應(yīng)保持均勻，可盡量較為規(guī)則的設(shè)計(jì)豎向結(jié)構(gòu)，少做平面上的變化。在安全規(guī)定內(nèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高度和寬度，并且需限制兩者的比值，以使結(jié)構(gòu)有較好的整體剛度和穩(wěn)定性。

2.2 防震縫設(shè)置。建筑平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，可通過使用防震縫，將復(fù)雜面劃分為簡(jiǎn)單且規(guī)則的平面，但是在高層建筑中，不宜使用防震縫。如果無法避免設(shè)縫，那么應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，按照需要較寬的規(guī)定來設(shè)置寬度。建筑的高度不超過15m，其防震寬度宜采用70mm；高度大于15m，應(yīng)根據(jù)不同的度數(shù)相應(yīng)的增加高度和防震縫寬度。

2.3 材料選取。以具有抗震性能的混凝土結(jié)構(gòu)，在材料的選擇上，需遵循以下原則：對(duì)于一級(jí)抗震的建筑而言，混凝土結(jié)構(gòu)框架的柱、梁等構(gòu)件的材料選擇不宜小于C30，且芯柱、構(gòu)造柱、圈梁等其他類型的構(gòu)件材料也不宜小于C20。考慮普通鋼筋的受力等級(jí)，使用HRB335級(jí)和HRB400級(jí)熱軋鋼筋來承受結(jié)構(gòu)的縱向力，使用HPB235、HRB335和HRB400級(jí)的熱軋鋼筋作為箍筋，普通鋼筋的選用應(yīng)考慮其韌性、延性及可焊性。抗震等級(jí)為一、二級(jí)的混凝土框架結(jié)構(gòu)，需測(cè)量普通鋼筋的在縱向上的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，兩者實(shí)際測(cè)量的比值不小于1.25，并且鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際測(cè)量出屈服強(qiáng)度的數(shù)值，兩者的比值不大于1.3。

2.4 截面設(shè)計(jì)。由梁、柱、抗震墻及連梁等組合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)截面，在進(jìn)行剪力的設(shè)計(jì)時(shí)需遵循，梁和連梁的跨高比大于2.5，結(jié)構(gòu)的柱和抗震墻的剪跨比大于2，要求V≤1/γRE（0.20fcbh0）；柱和抗震墻的剪跨比小于2、結(jié)構(gòu)的梁和連梁跨高比小于2.5、抗震墻的底部以及其部分的框支架和框支柱，要求V≤1/γRE（0.15fcbh0）。

3 高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于發(fā)展中國家，因其相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)較低，有豐富的材料來源，并且在建筑中能澆筑成各類復(fù)雜的斷面結(jié)構(gòu)。同時(shí)建筑所用的鋼材量少，承載力也不低，豎向剛度大，結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)澆筑可靠，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)后具有很好的抗震性能。高層建筑的主要結(jié)構(gòu)類型有鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。

3.1 增加抗彎結(jié)構(gòu)寬度。增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中能提高建筑的抗傾覆力矩，并且側(cè)移三次方的比例能得到減小，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的彎矩平衡法進(jìn)行計(jì)算可更好的理解這一設(shè)計(jì)方式。在實(shí)際的建筑工程的設(shè)計(jì)中，豎向構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體系中的良好連接是必須要做到的。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)構(gòu)件應(yīng)遵循強(qiáng)壓弱拉、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件和強(qiáng)剪弱彎的原則。在實(shí)際當(dāng)中，為實(shí)現(xiàn)框架與剪力墻的協(xié)同一致需控制各層樓板的變形量。剪力墻的主要受力是彎曲變形，結(jié)構(gòu)的主要受力是剪切變形，將兩者進(jìn)行有效協(xié)調(diào)變位，能實(shí)現(xiàn)框架抗震。

3.2 設(shè)計(jì)構(gòu)件布置方式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗力構(gòu)件的布置應(yīng)發(fā)揮最有效的作用，以提高結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)力，例如斜撐、水平撐及桁架體系等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，不宜忽略其在結(jié)構(gòu)中的作用，應(yīng)根據(jù)具體受力狀態(tài)，發(fā)揮桿件的抗拉和抗壓能力。交叉撐或斜撐是最有效抗衡抗側(cè)力的鋼骨混凝土構(gòu)件，其構(gòu)件可完全適應(yīng)受拉或受壓的狀態(tài)，且可充分是鋼材抗拉能力和混凝土構(gòu)件的抗壓能力得到發(fā)揮的同時(shí)，又可在水平方向上增大架構(gòu)的抗側(cè)移剛度，以增強(qiáng)高層建筑緩凝土結(jié)構(gòu)抗震作用。

3.3 增加承受荷載的構(gòu)件截面。在實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中對(duì)承受地震力的構(gòu)件應(yīng)增大構(gòu)件的最大部分截面，主要表現(xiàn)為在底部中應(yīng)用加強(qiáng)層。通常情況下在剪力墻底部的加強(qiáng)層，其高度應(yīng)設(shè)計(jì)與底部?jī)蓪拥妮^大值，或1/8的墻肢總高度相接近。高度大于150m的剪力墻，墻肢總高度的1/10是其底部加強(qiáng)部位的高度。為保證結(jié)構(gòu)的延性需要對(duì)截面的尺寸進(jìn)行限制，以防止產(chǎn)生脆性破壞，尤其對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)的截面限制條件更為嚴(yán)格，將x設(shè)為混凝土受壓區(qū)域梁端截面構(gòu)建的高度，考慮鋼筋的受力情況，計(jì)算結(jié)果應(yīng)符合以下條件；一級(jí)，x≤0.25h0；二、三級(jí)，x≤0.35h0，H0表示為截面的有效高度。

3.4 發(fā)揮樓蓋的水平隔板作用。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將豎向的受力構(gòu)件，也設(shè)計(jì)為是受彎構(gòu)件，主要抗傾覆構(gòu)件能在壓力作用下，保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)能減少增加的構(gòu)件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)自重，降低工程造價(jià)。在高層建筑中，實(shí)際樓蓋發(fā)揮的隔板作用應(yīng)符合計(jì)算假定：假定全部樓層采用剛性樓板。這主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)樓板的剛度足夠，樓板有一定的厚度并配有鋼筋，且在平面內(nèi)的開洞進(jìn)行了限制。如果假定不符合，在地震力的作用下樓板會(huì)成為薄弱層，結(jié)構(gòu)會(huì)在層高處豎向構(gòu)件發(fā)生破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體發(fā)生垮塌。

4 結(jié)語

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，是目前我國當(dāng)代社會(huì)所關(guān)注的問題。在建筑前期做好平面結(jié)構(gòu)布置、混凝土材料選用及鋼筋混凝土框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高建筑的抗震性能。隨著高層建筑在抗震設(shè)計(jì)方面的不斷探索，將會(huì)使高層建筑的抗震性能得到不斷的提高，地震帶來的損失也將有所減小。

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作者簡(jiǎn)介：薛毅明（1980- ），遼寧興城人，沈陽盛騰建筑設(shè)計(jì)有限公司，結(jié)構(gòu)工程師，中級(jí)；顏雙月（1982- ），福建仙游人，中國中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司遼寧分公司，結(jié)構(gòu)工程師，中級(jí)。